[과학] 시간의 다층적 개념

안녕하세요. everylecturenote입니다.

이번 글에서는 양자 중력 이론에서 시간을 어떻게 바라보는지 알아보고 시간의 다층적 본질에 대해 알아보도록 하겠다.

1. 시간의 다층적 본질과 우리의 경험

 로벨리 교수는 시간이 단일하고 보편적인 실체가 아니라, 다양한 수준의 근사치에서 나타나는 계층화된 개념이라고 주장한다. 인간이 경험하는 시간의 흐름은 인간이 사고하고, 감정을 가지고, 기억을 하고, 미래에 대한 기대를 하는 존재 방식과 관련이 깊다.

 1.1. 인간의 경험과 시간

 인간의 "경험적 시간(experiential time)"은 물리학적 설명보다는 인간이 "사고하는 존재"로서 시간을 인식하고 관계 맺는 방식에 의해 이해되어야 한다.

• 시간의 주관성: 로벨리 교수는 시간이 인간의 정신 활동에 깊이 연결되어 있음을 강조한다. 인간의 사고는 시간 속에서 일어나는 과정이며, 기억이나 기대를 할 수 없는 상태에서는 시간의 흐름을 인지할 수 없을 것이라고 했다.

2. 양자 중력과 시간의 근본적 변화

 양자 중력 이론에서는 시간의 개념이 근본적으로 변화한다. 양자 중력 이론에서 시간은 다음 세 가지 중요한 특징을 가진다.

• 시간의 불연속성 (양자 시간): 양자 역학은 대부분의 물리량이 연속적이지 않고 조각으로 존재한다고 한다. 빛이 광자라는 작은 입자로 구성되어 있듯이, 양자적인 측면에서 시간은 조각나 있다. 하지만 시간은 무한히 나눌 수 있는 연속체가 아니라, 더 이상 쪼갤 수 없는 최소 단위인 플랑크 시간(Planck time)을 가진다. 이는 시간이 연속적인 과정이 아닌, 점프의 연속으로 이해되어야 함을 의미한다.
• 시간의 양자 중첩: 양자 역학에서는 입자가 동시에 여러 상태에 존재할 수 있는 양자 중첩(quantum superposition) 현상이 발생한다. 이는 두 사건 사이의 시간을 측정할 때, 서로 다른 시계를 사용했을 때 시간이 달리 측정되지만, 같은 시계를 써도 시간이 다르게 측정될 수 있음을 의미한다. 마치 하나의 시계가 양자적으로 중첩돼 여러 위치에 존재하는 것이다. 
• 휠러-디윗 방정식(시간에 대한 망각): 1960년대 후반 존 휠러(John Wheeler)와 브라이스 디윗(Bryce DeWitt)이 개발한 양자 중력 방정식인 휠러-디윗 방정식에는 시간 변수가 없다. 이 방정식은 시간을 명시적인 변수로 사용하지 않고, 세계를 "변수들 사이의 관계"로 기술한다. 가장 일반적인 우주를 설명하는 이론에서는 시간이 전혀 존재하지 않는다. 대신, 시계의 바늘과 같은 여러 변수들이 서로 어떻게 관련되는지를 묘사함으로써 세계를 이해한다.

3. 시간 개념의 계층과 우리의 혼란

 로벨리 교수는 시간의 개념이 다층적 개념이라고 한다. 

• 인간의 감정적 시간: 인간의 시간의 흐름에 대한 생생한 감각은 인간이 생각하고, 선택하고, 기억하는 존재이기 때문에 나타난다.
• 열역학적 시간: 인간을 제외하더라도, 열역학 제2법칙에 의해 우주에는 "방향성 있는 시간(oriented time)"이 존재한다. 
• 고전 역학적 시간: 뉴턴의 방정식으로 기술되는 고전 역학에서는 시간이 방향을 갖지 않는다. 미래와 과거는 완전히 동일하다. 
• 아인슈타인의 시간: 아인슈타인의 이론에서는 시간의 유일성이 사라지고 모든 시계가 각자의 시간에 따라 돌아간다.
• 양자 중력의 시간: 양자 중력 이론에서는 시간이 존재하지 않는다.

[참고영상]

카를로 로벨리 <시간의 과학> 4강 시간은 존재하지 않는다, EBS, 1월 17일, 2025년

[강연자]

카를로 로벨리(Carlo Rovelli)

• 엑스마르세유 대학 교수
• 루프 양자중력 이론의 창시자
• 저서 〈시간은 흐르지 않는다〉,〈화이트 홀〉